Kubernetes 微内核的分布式操作系统( 二 ) _Kubernetes

用户态应用程序通过 IPC 访问这些服务，从而访问操作系统的全部功能，如此一来，需要陷入内核的系统调用数量将大大减少，系统的模块化更加清晰。同时系统更加健壮，只有内核中的少量系统调用才有权限访问硬件的全部能力，如设备驱动的问题只会影响对应服务，而不是影响整个系统。和 micro kernel 相对，UNIX 的设计被称为 monolithic kernel 。
UNIX 开放后，AT&T 继续着版本迭代，而各大学基于 AT&T 的 UNIX 开发了很多新的操作系统内核，其中较为知名的有：

BSD，monolithic，由伯克利的传奇人物 Bill Joy 于1974年发布（据说 Bill Joy 花三天便完成了 BSD 内核的第一个版本开发，Bill Joy 的作品还包含第一个 TCP/IP 协议栈、vi、Solaris、SPARK 芯片等等）。该内核对业界影响非常之大，后来发展为 FreeBSD、OpenBSD、NetBSD 等分支。现代操作系统如 Solaris、MacOS X、Windows NT 对其多有借鉴。
Mach，微内核，由卡内基梅隆大学于1984年发布，主要作者是 CMU 的两位研究生 Avie Tevanian 和 Rick Rashid 。该内核对业界影响也很大，GNU Hurd、MacOS X 对其多有借鉴，但该项目本身以失败告终。
MINIX，微内核，由阿姆斯特丹自由大学（Vrije Universiteit Amsterdam）的 Andrew Tanenbaum 教授于1987年发布。无数计算机系学生通过 MINIX 及其配套教材掌握了操作系统的设计原理，Linux 的初始版本就是基于 MINIX 复刻的。MINIX 虽然著名，但主要用于教学，从未在工业界获得一席之地。

1.3 微内核的沉寂
从上世纪90年代至本世纪10年代，UNIX 和 VMS 的后裔们展开了一场混战，从结果来看，微内核的概念虽然美好，但现实非常残酷：

MINIX 仅限于教学，而基于 MINIX 设计的 Linux 是 monolithic 系统，反而大获成功。Mach 对业界影响深远，但本身并未得到大规模应用，其继承者 GNU Hurd 一直在开发中，从未能应用。
Windows 的 NTOS 内核是 David Cutler 基于他原来在 DEC 独立设计的系统 VMS 设计的（VMS 和 UNIX 无关）。NTOS 借鉴了微内核的思想和 BSD 的一些代码，但最终 David Cutler 决定将所有服务（如 GUI）都放到内核态而非用户态，因此 Windows NT 在软件架构上和微内核一致，而实际运行和 monolithic 内核一致，被称为 hybrid kernel 。
MacOS X 基于 NextStep OS 设计，NextStep 是 Avie Tevanian 设计的，Avie Tevanian 是 Mach 的主要设计者，博士毕业后，盖茨和乔布斯都邀请过他，他去了 Next，他在 CMU 的好友 Rick Rashid 则去微软作为 David Cutler 的首席助手，据说 Avie Tevanian 在 Next 每天用计算器算自己没去微软而损失的股票增值。跟乔布斯回到苹果后，Avie 基于 NextStep 和 BSD 的代码设计了 OS X，巧的是，OS X 也采用了 hybrid kernel 的架构，最终大获成功，还能在 PowerPC 和 x86 两种指令架构间无缝切换。

在几位操作系统技术巨擎中，除 Linus Torvalds 外，无论是 David Cutler 和 Andrew Tanenbaum，还是 Avie Tevanian 和 Rick Rashid，都是微内核架构的领袖级人物，但最终他们都没有将微内核彻底落地，这是有原因的。
微内核操作系统访问系统服务的效率比 monolithic 操作系统要低得多，举例而言，在 Linux 中，系统调用（比如 open）只要陷入内核一次，也就是先切换 CPU 到高权限模式，再切回低权限模式。如果在一个微内核操作系统中，用户调用 open 就需要先拼装一条 IPC 请求消息，发送给对应的文件系统服务进程，随后从文件系统服务进程获取IPC响应消息并解包，拿到调用结果，这样一来，消息带来的数据拷贝和进程上下文切换都会带来很多开销。消息需要拷贝是因为用户态进程间不能相互访问内存地址，而内核的代码可以访问任何用户态进程的任何内存地址。正是因为性能原因，OS X 和 Windows 都选择了 hybrid kernel 的架构，NTOS 甚至在内核中集成了 GUI 子系统，以带来更好的用户体验。
简单来说，在电脑性能不佳的情况下，我们会发现 Windows 的鼠标箭头更加“跟手”，即使系统接近死机，Windows 系统的鼠标箭头仍然可以活动。Windows XP 能在 Windows 98 这样「珠玉在前」的上代产品后获得更大的成功，和 NTOS 对性能的密切关注是分不开的，相比之下，苹果固然在1980年代中期就有初代 Machintosh 这样的壮举，但因为乔布斯无法说服销售团队换一根更强的内存条，因此初代 Mac 的性能较差，运行程序非常之慢，未能获得应得的蓝海成功。
二、Kubernetes 和微内核性能问题对单机操作系统来说可能是至关重要的，但对分布式操作系统并非如此，分布式操作系统作为「幕后功臣」，不需要直接面对用户，而单机性能上的小小损失可以用更多机器来弥补，在这个前提下，更好的架构往往更加重要。